Een theoretische FLEET-studie die deze week is uitgevoerd, heeft een 'rokend pistool' gevonden in de lange zoektocht naar de topologische magnetische monopool die de Berry-kromming wordt genoemd.

Deze ontdekking is een doorbraak in de zoektocht naar topologische effecten in niet-evenwichtssystemen.

De groep, geleid door Dimi Culcer bij UNSW, identificeerde een onconventioneel Hall-effect aangedreven door een magnetisch veld in het vlak in halfgeleidergatsystemen, die uitsluitend wordt herleid tot de Berry-kromming.

(Omgekeerd, het gewone Hall-effect en het abnormale Hall-effect vereisen beide een magnetisch veld/magnetisatie die loodrecht op het oppervlak staat.)

Verbeterde topologische effecten zouden laagenergetische topologische elektronica levensvatbaar maken voor grootschalige, kamertemperatuur werking, en werden onlangs opgenomen in de IEEE-roadmap naar toekomstige elektronica.

Isolerende reactie een doorbraakmoment

"Het isoleren van topologische reacties in 'gewone geleiders' is een historisch moeilijke taak geweest, ", zegt onderzoeksteamleider A/Prof Dimi Culcer (UNSW). "Ook al wordt aangenomen dat deze topologische reacties alomtegenwoordig zijn in vaste stoffen."

gekwantificeerde reacties, zoals de quantum Hall- en quantum spin-Hall-effecten zorgen voor een duidelijke vingerafdruk van topologie, maar deze zijn alleen waargenomen in eendimensionale (1D) systemen en zijn nauw verbonden met het bestaan ​​van randtoestanden.

Bij 'gewone' geleiders, wat betekent 2D- en 3D-systemen, er is veel theoretische literatuur die topologische bijdragen voorspelt aan b.v. het afwijkende Hall-effect, maar deze zijn nooit eenduidig ​​waargenomen in een transportmeting.

Hiervoor zijn twee hoofdredenen:(i) spin-up en spin-down elektronen leveren gewoonlijk tegengestelde bijdragen, en deze heffen elkaar bijna op; (ii) wat er nog over is, wordt overspoeld door wanorde.

Het nieuwe FLEET-document verhelpt deze al lang bestaande tekortkoming door een tweedimensionaal systeem te identificeren waarin de Berry-kromming, en alleen de Berry-kromming, is verantwoordelijk voor het lineaire Hall-signaal in het aangelegde magnetische veld in het vlak.

"Opmerkelijk, alle bijdragen aan de stoornis verdwijnen:we zijn ons niet bewust van een ander multidimensionaal systeem waarin dit waar is, " zegt hoofdauteur, UNSW Ph.D. leerling James Cullen. "De experimentele meting ervan is toegankelijk voor elk ultramodern laboratorium wereldwijd, daarom verwachten we veel belangstelling van experimentatoren."

bes kromming, het afwijkende Hall-effect en topologische materialen

Het onderzoeksteam zocht het veelbetekenende wiskundige spoor genaamd "Berry kromming, " wat kan worden begrepen als we denken aan het concept van parallel transport dat routinematig voorkomt in de geometrie en de algemene relativiteitstheorie.

"Beschouw een vector als een pijl die we ergens op het oppervlak van een vast object plaatsen, " legt Dimi uit. "Nu verplaatsen we de pijl, ervoor te zorgen dat het altijd in dezelfde hoek naar het oppervlak wijst - dit is in feite als een mens die langs het aardoppervlak loopt. We brengen de pijl uiteindelijk terug naar het startpunt nadat deze is rondgecirkeld, en dat vinden we in het algemeen, het wijst in een andere richting - het is op magische wijze over een bepaalde hoek gedraaid. De grootte van deze hoek wordt bepaald door de kromming van het oppervlak. "

In de kwantummechanica, in plaats van vectoren hebben we golffuncties, maar we kunnen de dynamiek beschrijven met dezelfde afbeelding, en de kromming wordt de Berry-kromming genoemd.

De draaihoek wordt vervangen door de beroemde Berry-fase, genoemd naar de wiskundig fysicus Prof Sir Michael Berry, die het probleem in de jaren tachtig formuleerde. Later, voortbouwend op het werk van Nobelprijswinnaar David Thouless, Qian Niu van UT Austin toonde aan dat de Berry-kromming zich gedraagt ​​als de felbegeerde magnetische monopool, maar niet in de echte ruimte, eerder in de momentumruimte, dat is de ruimte waarin de meeste fysici van de gecondenseerde materie denken.

De Berry-kromming zorgt voor topologische effecten in systemen die niet in evenwicht zijn, omdat wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, een elektron wordt versneld, dus het momentum verandert. Wanneer dit gebeurt, verandert de golffunctie langzaam, op dezelfde manier dat de `pijl' wordt geroteerd in parallel transport, en als resultaat van deze geleidelijke rotatie wordt een dwarse (Hall) stroom opgewekt. De Onsager-relaties, die fundamenteel zijn voor niet-evenwichtsfysica, zeggen dat de Hall-stroom geen energie dissipeert. Het extreme geval is het kwantum afwijkende Hall-effect (QAHE), een kwantumeffectsleutel voor de functie van topologische materialen, waarin randstromen kunnen stromen zonder elektrische weerstand.

('Quantum' beschrijft 'stap'-overgang in de transversale (Hall) weerstand, d.w.z. het varieert in discrete stappen in plaats van soepel, terwijl 'abnormaal' verwijst naar het optreden van het fenomeen in afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld.)

Onderzoekers proberen QAHE te verbeteren om topologisch gedrag bij hogere temperaturen te beschermen, waardoor topologische elektronica mogelijk zou zijn voor gebruik bij kamertemperatuur.

"De aanzienlijke vermindering van de elektrische weerstand die wordt toegestaan ​​door QAHE bij kamertemperatuur, zou ons in staat stellen het stroomverbruik in elektronische apparaten aanzienlijk te verminderen, ' zegt Dimie.